李維芳，王春蕾，王 妮，鄧雨正，姚彥東，魏麗娟，廖偉彪

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

一氧化氮(nitric oxide，NO)是一種水溶性和脂溶性的氣體小分子，作為一種重要的信號(hào)分子，一直是生命科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。NO在打破種子休眠[1]、抑制下胚軸伸長[2]、延緩葉片衰老[3]、緩解非生物脅迫[4]等方面發(fā)揮著重要的作用。

不定根是由非根組織形成的根，由分化的細(xì)胞發(fā)育而來[5]。不定根的發(fā)生主要有誘導(dǎo)階段、啟動(dòng)階段和表達(dá)階段等三個(gè)階段[6]。誘導(dǎo)階段包括不定根起源細(xì)胞響應(yīng)內(nèi)外刺激，水解淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖為啟動(dòng)階段提供能量，在該階段PrSCL1和PrSHR基因表達(dá)顯著上調(diào)，參與下胚軸不定根的誘導(dǎo)[7]。啟動(dòng)階段包括起始細(xì)胞開始分裂形成分生組織及根原基，啟動(dòng)階段劃分5個(gè)部分：(1)建立不定根表皮-內(nèi)皮層、中柱和根冠起始細(xì)胞；(2)起始細(xì)胞通過平周分裂形成不定根表皮、內(nèi)皮層和中柱；(3)內(nèi)皮層通過平周分裂形成皮層；(4)根冠起始細(xì)胞通過平周分裂形成柱細(xì)胞，不定根原基的穹頂狀結(jié)構(gòu)建成；(5)中柱基部的細(xì)胞伸長(圖1)[8]。在擬南芥中，形成層及其周圍薄壁細(xì)胞中積累的生長素誘導(dǎo)基因WOX11(WUSCHELRelatedHomeobox11)和WOX12的表達(dá)會(huì)上調(diào)LBD16(Lateralorganboundariesdomain16)和LBD29基因表達(dá)，從而介導(dǎo)形成層細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)椴欢ǜ鹗技?xì)胞，之后再轉(zhuǎn)變?yōu)椴欢ǜ?xì)胞[9]。表達(dá)階段包括不定根原基生長突破表皮層，新形成的不定根與維管束相連。在表達(dá)階段，OsCAND1通過參與不定根原基生長素信號(hào)維持G2/M細(xì)胞周期的轉(zhuǎn)化來控制不定根的伸長[10]。OsWOX11與ERF3互作增強(qiáng)細(xì)胞分裂素信號(hào)通路，從而促進(jìn)不定根的伸長[11]。在植物正常生長過程中，不定根的形成是植物正常發(fā)育的一部分，是自然發(fā)生的。對(duì)于大多數(shù)單子葉植物而言，不定根是植物主要的根系統(tǒng)，而在許多雙子葉植物中，不定根的形成是通過生殖生長來完成的[5]。此外，植物莖或葉受到脅迫或激素等影響也可以產(chǎn)生不定根[12]。而且，不定根是植物吸收水分、營養(yǎng)元素以及存儲(chǔ)同化物的重要器官[13]。在營養(yǎng)繁殖以及利用無性繁殖獲取優(yōu)良品種[14]等方面都有不定根的參與。因此，不定根的研究對(duì)調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育有很重要的意義。

目前關(guān)于NO在植物(如萬壽菊[15-16]、黃瓜[17-19]、綠豆[20]等)不定根發(fā)生中的作用已有較多報(bào)道。研究表明，NO對(duì)植物不定根發(fā)生起到了非常重要的作用。因此，本文主要對(duì)植物中NO的生物合成途徑以及不定根形成過程中NO發(fā)揮的作用進(jìn)行系統(tǒng)的回顧和總結(jié)，以期對(duì)NO的生物合成途徑和NO在植物不定根中的作用有一個(gè)更深的理解。

1 NO在植物體中的產(chǎn)生

在植物體內(nèi)NO的產(chǎn)生是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，目前對(duì)NO產(chǎn)生途徑的研究相當(dāng)有限。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，在植物體內(nèi)NO的合成途徑主要有兩種：酶促合成途徑和非酶促合成途徑[21](表1)。但是，目前這兩個(gè)種途徑中的一些酶的作用和氧化還原機(jī)理需要進(jìn)一步驗(yàn)證和研究。本文結(jié)合最近幾年有關(guān)NO在植物體中產(chǎn)生途徑的研究進(jìn)行闡述。

1.1 酶促合成途徑

1.1.1 硝酸還原酶(nitrate reductase， NR)途徑

NR途徑是由硝酸還原酶催化的NO合成途徑。硝酸還原酶存在于綠藻和種子植物的細(xì)胞溶膠[22]，被認(rèn)為是植物體中產(chǎn)生NO最主要的途徑[23]。在擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)NR是由NIA1和NIA2同源基因編碼[24]。通過對(duì)個(gè)體和突變體的比較研究發(fā)現(xiàn)，在不同的植物組織中NO的合成量不同[25-26]。NR是以煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADH)為電子供體，主要催化硝酸鹽還原為亞硝酸鹽[27]，也可以催化亞硝酸鹽還原為NO。該反應(yīng)需要少量的氧自由基、光照和高濃度的亞硝酸鹽。但是，這種反應(yīng)的效率很低[28]，僅為硝酸鹽還原的1%[23]。而且，在低氧環(huán)境中需要亞硝酸鹽水平超過天然硝酸鹽底物水平[29]。此外，NR可通過調(diào)節(jié)電子流直接調(diào)控催化亞硝酸鹽生成NO的過程，或者通過影響亞硝酸鹽濃度來間接控制NO產(chǎn)生[30]。

a，莖形成層；b，不定根表皮；c，內(nèi)皮層；d，皮層；e，后生木質(zhì)部；f，根冠分生組織；g，不定根原基；h，莖表皮。 a， Stem cambium; b， Adventitious root epidermis; c， Endodermis; d， Cortex; e， Metaxylem; f， Root cap meristem; g， Adventitious root primordium; h， Stem epidermis.圖1 植物不定根的形成過程Fig.1 The formation of adventitious roots in plants

1.1.2 NO合酶(nitric oxide synthase， NOS)途徑

NOS途徑首先是在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的。在哺乳動(dòng)物中，NO是通過NO合酶(NOS)的氧化機(jī)制合成的，NO合酶有內(nèi)皮細(xì)胞NOS(endothelial eNOS)、神經(jīng)細(xì)胞NOS(neuronal nNOS)和誘導(dǎo)型NOS(inducible NOS，iNOS)三種類型[31]。Crawford等[32]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了一種名為AtNOS1的NOS編碼基因，AtNOS1可能與NO的合成或積累有直接或間接的關(guān)系，所以有研究者建議將AtNOS1改為AtNOA1[32]。通過檢測發(fā)現(xiàn)AtNOS1似乎具有將L-精氨酸 (L-Arginine， L-Arg)轉(zhuǎn)化為L-瓜氨酸的能力，但是后來的研究者無法檢測到由L-Arg轉(zhuǎn)化為L-瓜氨酸[33]。在高等植物中純化的AtNOS1蛋白可與L-Arg產(chǎn)生NO和瓜氨酸(表1)，且動(dòng)物NOS抑制劑顯著降低了這種蛋白的活性[33]。因此，目前植物體中是否存在與哺乳動(dòng)物NOS在結(jié)構(gòu)上類似的基因還存在爭議。研究發(fā)現(xiàn)，在高等植物中可能存在L-Arg、多胺或羥胺等被氧化生成NO的氧化機(jī)制[23]。而且可能發(fā)生在整個(gè)細(xì)胞環(huán)境中，包括細(xì)胞質(zhì)、線粒體、葉綠體、過氧化物酶體和質(zhì)外體[32]。后來，研究者在綠色鞭毛藻(Ostreococcuslucimarinus)中發(fā)現(xiàn)一種蛋白，該蛋白與哺乳動(dòng)物的NOS有45%的相似性，該酶在體外表現(xiàn)出NOS活性，與動(dòng)物NOS蛋白具有相似的性質(zhì)[34]。因此，該蛋白被稱為NOS-like酶。

1.1.3 其他酶促合成途徑

在植物體中還存在其他NO的合成途徑，黃嘌呤氧化還原酶(xanthine oxidoreductase，XOR)途徑是植物體合成NO的一個(gè)重要途徑。XOR分為黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase，XOD)和黃嘌呤脫氫酶(xanthine dehydrogenase，XDH)，其主要形式是XOD，XDH只有30%[35]。XOR含有鉬原子、黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD)和兩個(gè)鐵硫氧化還原中心[36]，XOR作為一種含鉬酶，擁有低氧條件下催化亞硝酸鹽還原為NO的能力[37](表1)。葉綠體中，在亞硝酸鹽和還原性底物存在的條件下，XOR催化亞硝酸鹽和還原性底物生成NO[38]。此外，Maia等[39]研究發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度的變化會(huì)微調(diào)XOR催化NO的生成，在FAD和氧氣充足的條件下，XOR可產(chǎn)生超氧陰離子自由基進(jìn)行細(xì)胞間的信息交流。

在煙草中發(fā)現(xiàn)的一種根特異性質(zhì)膜結(jié)合亞硝酸鹽NO還原酶(nitrite NO reductase，Ni-NOR)也可以催化底物合成NO。該酶利用細(xì)胞色素c作為體外電子供體催化煙草中的亞硝酸鹽還原為NO[40](表1)。而且，Ni-NOR活性可能會(huì)受到氧氣濃度的調(diào)控，但是Ni-NOR活性僅限于植物的根部[41]。后來，也有研究者認(rèn)為Ni-NOR可能參與植物根的生長過程[42]。但是Ni-NOR的身份需進(jìn)一步研究確定。

1.2 非酶促合成途徑

在植物體中除了上述生物酶促途徑合成NO以外，還可以通過非酶促途徑合成。Cooney等[43]首先發(fā)現(xiàn)：在光照條件下，類胡蘿卜素可與NO2反應(yīng)，生成NO。后來，Wang等[44]發(fā)現(xiàn)酸性條件下，通過抗壞血酸(ascorbic acid，ASA)以及其他還原劑的作用，質(zhì)外體可以釋放NO(表1)。酸性條件下，赤霉素(gibberellic acid，GA)和脫落酸(abscisic acid，ABA)處理的大麥普通糊粉層中，還原劑可以將NO-2還原為NO[45](表1)。在缺氧或低氧條件下，植物的線粒體消耗NADH，將亞硝酸鹽還原為NO[46](表1)。此外，羥胺類(R-NHOH)也可被超氧化物或H2O2氧化，在煙草細(xì)胞懸浮液中釋放出NO[47](表1)，因此，非酶促途徑NO的合成可能與氮氧化物與植物代謝產(chǎn)物之間的化學(xué)反應(yīng)以及酸性條件下亞硝酸根(NO-2)的氧化還原反應(yīng)有關(guān)[48]。此外，水楊酸和H2O2可誘導(dǎo)伴生細(xì)胞產(chǎn)生NO[49]，但是該氧化反應(yīng)效率較低且反應(yīng)的生理?xiàng)l件和作用都尚不清楚。

2 NO對(duì)植物不定根發(fā)生的影響

植物的生長發(fā)育、代謝等生命活動(dòng)都是通過復(fù)雜的機(jī)制來協(xié)調(diào)完成的。植物不定根的發(fā)生也受到很多因素影響，如：光照[50]、水分[51]、營養(yǎng)物質(zhì)[52]、機(jī)械脅迫[53]等因素都會(huì)影響不定根發(fā)生。而NO作為一種簡單的氣體分子，在植物中的作用受到了廣泛的關(guān)注，尤其是在植物不定根發(fā)生中扮演著至關(guān)重要的角色。

2.1 植物不定根發(fā)生過程中NO的產(chǎn)生

NO處理綠豆下胚軸后，NO清除劑2-4-羧基苯基-4，4，5，5-四甲基咪唑啉-1-氧-3-氧化物鉀鹽(2，4-carboxyphenyl-4，4，5，5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide， cPTIO)和NOS-Like抑制劑 NG-硝基1-氨甲酯(NG-nitro-l-Arg-methyl ester， L-NAME)處理都抑制了綠豆不定根發(fā)生[54]，且檢測發(fā)現(xiàn)內(nèi)源NO減少。因此，在不定根中NO的產(chǎn)生可能通過NOS-Like途徑來完成[54]，后來Xuan等[55]在黃瓜下胚軸不定根發(fā)生中，使用 L-NAME和鎢酸鹽(Na2WO4)(NR抑制劑)探究NO的來源。發(fā)現(xiàn)L-NAME處理后的黃瓜幼苗中NO內(nèi)源含量減少，因此，在不定根發(fā)生過程中產(chǎn)生的NO可能是NOS-Like途徑合成的。而Na2WO4處理后的黃瓜幼苗NO含量沒有顯著變化。所以黃瓜不定根中NO的產(chǎn)生并非NR途徑產(chǎn)生。但是，在向日葵不定根發(fā)生的研究中，NO產(chǎn)生有NOS和NR兩種途徑[56]。

2.2 NO調(diào)控不定根發(fā)生的機(jī)理

2.2.1 木質(zhì)素參與NO調(diào)控的不定根發(fā)生

NO在調(diào)控不定根的發(fā)生過程中，木質(zhì)素也在其中發(fā)揮著作用。NO供體硝普鈉(sodium nitroprusside，SNP)濃度較低時(shí)可誘導(dǎo)綠豆不定根發(fā)生，同時(shí)增加總木質(zhì)素含量，改變參與木質(zhì)素生物合成的過氧化物酶(peroxidase，POD)、多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonialyase，PAL)的活性[57]。在SNP濃度較高的情況下，不定根發(fā)生和木質(zhì)化下降[58]。利用清除劑cPTIO清除內(nèi)源NO后，下胚軸不定根發(fā)生和木質(zhì)素合成酶活性顯著下降。這說明NO對(duì)根系木質(zhì)化的促進(jìn)作用可能與NO自身有關(guān)[57]。不定根發(fā)生過程中，NO引起木質(zhì)素生物合成酶活性的變化導(dǎo)致木質(zhì)素水平的變化，進(jìn)而影響不定根的發(fā)生[57]。100 μmol·L-1SNP處理后的紫錐菊外植體內(nèi)酚類化合物、黃酮類化合物和咖啡酸衍生物等次生代謝物的積累增加[58]，而且相同濃度的SNP還可以增加超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbic acid peroxidase，APX)活性，進(jìn)而誘導(dǎo)抗氧化防御[58]。

2.2.2 抗氧化酶參與NO調(diào)控的不定根發(fā)生

目前已知NO能緩解植物干旱脅迫[59]、鹽脅迫[60]等非生物脅迫，而在植物生長發(fā)育過程中，非生物脅迫會(huì)對(duì)不定根發(fā)生產(chǎn)生影響。在鎘脅迫下，NO可以緩解鎘對(duì)綠豆下胚軸不定根的抑制作用，同時(shí)提高了內(nèi)源NO水平和谷胱甘肽(glutathione，GSH)、ASA、多酚和脯氨酸(proline，Pro)的水平，降低了丙二醛(malondialdehyde，MDA)的含量[61]。POD、過氧化氫酶(catalase，CAT)、SOD和吲哚乙酸氧化酶(indoleacetic acid oxidase，IAAO)等抗氧化酶活性的提高可以逆轉(zhuǎn)鎘脅迫，說明NO調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)防止膜脂過氧化在不定根發(fā)生中的應(yīng)激反應(yīng)，緩解鎘脅迫對(duì)不定根的抑制作用，進(jìn)而促進(jìn)綠豆不定根的發(fā)生[61]。在干旱脅迫下，NO可促進(jìn)萬壽菊不定根的發(fā)生，而且存在明顯的劑量依賴效應(yīng)[16]。此外，NO還能減輕干旱脅迫對(duì)葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)提高葉片葉綠素的含量和下胚軸可溶性碳水化合物和蛋白質(zhì)的含量，降低淀粉含量[16]。因此，在植物緩解非生物脅迫過程中，NO影響抗氧化酶活性進(jìn)而調(diào)控植物不定根的發(fā)生。

表1 植物體內(nèi)NO的合成途徑

Table 1 Synthetic pathway of NO in plants

合成途徑Synthetic pathway底物Substrate酶/反應(yīng)條件Enzyme/reaction conditions基因Gene合成部位Site of synthesis參考文獻(xiàn)Reference酶促合成途徑NO-2NRNIA1、NIA2細(xì)胞質(zhì)Cytoplasm[24]、[27]Enzymatic synthesisL-ArgNOSAtNOS1(AtNOA1)線粒體Mitochondria[31]pathwayL-ArgNOS-like—葉綠體Chloroplast[32-34]NO-2XOR—葉綠體Chloroplast[37]NO-2Ni-NOR—根部線粒體Mitochondria of root[41]非酶促合成途徑NO-2光照Illumination—葉綠體Chloroplast[43]Non-enzymaticASC 缺氧Anoxia、H+質(zhì)外體Apoplast[44]synthesis pathwaysNO-2H+、GA、ABA—糊粉層Aleurone layer[45]NO-2、NADH缺氧或低氧Hypoxia—線粒體Mitochondria[46]R-NHOHH2O2—未知Unknown[47]SAH2O2—伴胞Companion cell[49]

NR，硝酸還原酶；L-Arg，L-精氨酸；XOR，黃嘌呤氧化還原酶；Ni-NOR，亞硝酸鹽NO還原酶；R-NHOH，羥胺；NOS，NO合酶；SA，水楊酸。

NR， Nitrate reductase; L-Arg， L-arginine; XOR， Xanthine oxidoreductase; Ni-NOR， Nitrite:NO reductase; R-NHOH， Hydroxylamine; NOS， Nitric oxide synthase; SA， Salicylic acid.

2.2.3 細(xì)胞周期基因參與NO調(diào)控的不定根發(fā)生

在植物不定根發(fā)生過程中，Xuan等[62]發(fā)現(xiàn)CsDNAJ-1可能接受生長素信號(hào)或周圍刺激調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂和分化。SNP處理后，黃瓜幼苗中CsDNAJ-1的基因表達(dá)上調(diào)[63]，而且與觀察到不定根的數(shù)目和長度相匹配，進(jìn)一步添加NO清除劑和抑制劑后，該基因的表達(dá)受到抑制。因此，Zhu等[63]推測CsDNAJ-1在不定根發(fā)生過程中的表達(dá)可能需要NO的參與。細(xì)胞分裂伴隨細(xì)胞周期的變化，CycA和CycB編碼兩種類型的細(xì)胞周期蛋白參與調(diào)控細(xì)胞分裂過程[63]。在Zhu等[63]的研究中，NO和富氫水(hydrogen rich water，HRW)處理可以上調(diào)黃瓜幼苗中CycA和CycB的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞周期中G1期到S期的轉(zhuǎn)化。CDKA和CDKB基因的表達(dá)在NO和HRW處理后也出現(xiàn)不同程度上調(diào)。NO在HRW誘導(dǎo)的不定根發(fā)生中，NO通過CycA、CycB、CDKA、CDKB等基因的調(diào)控，促進(jìn)細(xì)胞分裂，進(jìn)而促進(jìn)不定根的形成[62]。

3 一氧化氮與植物激素互作對(duì)植物不定根發(fā)生的影響

植物激素是植物自身產(chǎn)生的一類有機(jī)物，參與了植物全部的生長發(fā)育過程。目前，不定根發(fā)生過程中，植物激素參與的研究主要有吲哚-3-乙酸(indolebutyric acid，IAA)、乙烯 、萘乙酸(naphthylacetic acid，NAA)等物質(zhì)。

3.1 NO與生長素

生長素啟動(dòng)了細(xì)胞分裂和原基形成過程，誘導(dǎo)細(xì)胞去分化形成頂端分生組織，所以生長素在不定根發(fā)生中的作用尤為重要，而生長素在不定根發(fā)生過程中往往有NO的參與。前人發(fā)現(xiàn)，SNP促進(jìn)IAA缺失外植體不定根的發(fā)生，而NO特異清除劑cPTIO能抑制SNP的作用[64]。絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)作為誘導(dǎo)黃瓜不定根路徑中與細(xì)胞分裂相關(guān)的酶，參與了NO和IAA促進(jìn)黃瓜不定根發(fā)生的過程，而NO在該過程中激活MAPK起關(guān)鍵的作用(圖2)，該過程通過影響MAPK的活性促進(jìn)黃瓜不定根發(fā)生[65]。在萬壽菊中，吲哚丁酸(1H-indole-3-butanoic acid，IBA)能引起外植體內(nèi)源NO和H2O2增加；阻斷內(nèi)源生長素運(yùn)輸后，外源NO、H2O2，IBA仍對(duì)不定根的發(fā)生有促進(jìn)作用。在IBA誘導(dǎo)萬壽菊不定根發(fā)生中，H2O2可能在NO的下游促進(jìn)不定根的發(fā)生[15](圖2)。SNP處理綠豆下胚軸時(shí)呈現(xiàn)明顯的濃度依賴效應(yīng)，低濃度處理促進(jìn)不定根數(shù)增加，而超過一定的濃度后，不定根的根數(shù)隨著SNP濃度的增加而減少。而且增加NAA處理后，NAA可以促進(jìn)NOS途徑中NO的產(chǎn)生，因此，SNP與NAA共同處理的效果要比單獨(dú)處理顯著，但加入cPTIO會(huì)顯著抑制不定根的發(fā)生[20]。

褪黑素通過NO調(diào)控與生長素相關(guān)基因促進(jìn)不定根的發(fā)生[66]。PIN1負(fù)責(zé)調(diào)控生長素轉(zhuǎn)運(yùn)，在NO存在的條件下，褪黑素促使生長素從下胚軸維管束細(xì)胞橫向運(yùn)輸?shù)街兄始?xì)胞中促進(jìn)不定根發(fā)生[67]。PIN3決定生長素流出的方向，控制生長素的不對(duì)稱積累和差異生長，PIN3將生長素重新分配到中柱鞘細(xì)胞，同時(shí)在中柱鞘細(xì)胞中檢測到累積的NO[68]，所以PIN3的表達(dá)可能受到NO的調(diào)控。此外，褪黑素提高了PIN7的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，從而促進(jìn)下胚軸的伸長[66]。

3.2 NO與乙烯

作為一種氣體植物激素，乙烯在植物體不定根發(fā)生中發(fā)揮著一定的作用。外源乙烯可以提高植物體內(nèi)NR和NOS的活性，從而使內(nèi)源NO產(chǎn)生增多[17]。另外，乙烯可提高與NR和NOS相關(guān)基因的表達(dá)量，增加黃瓜外植體內(nèi)源NO的含量，而且乙烯可上調(diào)DNAJ-like基因(CsDNAJ-1)和鈣依賴蛋白激酶(calcium-dependent protein kinase，CDPK)基因(CsCDPK1和CsCDPK5)等與不定根發(fā)生相關(guān)基因的表達(dá)誘導(dǎo)黃瓜不定根的發(fā)生[17]。在萬壽菊中可以得到相似的結(jié)論，施加外源乙烯提高了萬壽菊NR和NOS活性，增加內(nèi)源NO的積累[18]。此外，乙烯處理后IAAO、POD和PPO活性顯著提高[18]。細(xì)胞周期激活后，細(xì)胞分裂開始進(jìn)行，對(duì)不定根發(fā)生有很好的促進(jìn)作用。Jin等[18]發(fā)現(xiàn)，NO參與乙烯誘導(dǎo)的細(xì)胞周期激活促進(jìn)不定根的發(fā)生。目前，外源乙烯是影響內(nèi)源NO的含量來誘導(dǎo)植物不定根產(chǎn)生，且可通過促進(jìn)細(xì)胞周期誘導(dǎo)不定根產(chǎn)生。但是，植物體自身也會(huì)產(chǎn)生乙烯，外源乙烯的施加是否影響植物體內(nèi)源乙烯的產(chǎn)生，目前沒有相關(guān)研究說明。

3.3 NO與其他激素

除了生長素和乙烯外，褪黑素處理番茄幼苗下胚軸能促進(jìn)其不定根發(fā)生，且存在明顯的濃度依賴效應(yīng)。褪黑素下調(diào)S-亞硝基谷胱甘肽還原酶(S-nitroso glutathione reductase，GSNOR)和上調(diào)NR促進(jìn)內(nèi)源NO積累[66](圖2)。然而，在下胚軸中內(nèi)源NO增加也會(huì)促進(jìn)褪黑素積累[66]。因此，褪黑素和NO在番茄不定根的發(fā)生中協(xié)同發(fā)揮作用。在整個(gè)植物不定根發(fā)生過程中，褪黑素和NO在其中發(fā)揮著重要作用，但是目前的相關(guān)研究較少，無法確定褪黑素和NO在不定根中具體功能和作用。

4 NO與非激素信號(hào)分子互作對(duì)植物不定根發(fā)生的影響

4.1 NO與Ca2+

細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的變化是植物各種細(xì)胞過程中的轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)[69-70]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+在植物不定根發(fā)生中與NO之間有著某些聯(lián)系。NO和生長素誘導(dǎo)黃瓜不定根發(fā)生過程中Ca2+作為第二信使參與激活CDPK活性[70](圖2)。在干旱條件下，Ca2+參與NO調(diào)控SOD、CAT和APX等抗氧化酶活性，逆轉(zhuǎn)干旱脅迫對(duì)黃瓜不定根的抑制作用(圖2)，促進(jìn)不定根發(fā)生[70]。與此同時(shí)，在李春蘭等[71]的研究中也得到了相同的結(jié)論：在NO誘導(dǎo)黃瓜下胚軸不定根發(fā)生中，CaCl2提高抗氧化酶活性緩解干旱脅迫對(duì)黃瓜不定根發(fā)生的影響。另外一篇報(bào)道也說明了Ca2+和鈣調(diào)蛋白(calmodulin，CaM)在NO和H2O2誘導(dǎo)不定根的信號(hào)中發(fā)揮作用，而且進(jìn)一步推測出了Ca2+和CaM都是NO和H2O2誘導(dǎo)的不定根過程中的下游信號(hào)分子[16]。而在滲透脅迫下，外源NO和Ca2+通過保護(hù)光合系統(tǒng)、刺激抗氧化系統(tǒng)促進(jìn)黃瓜不定根發(fā)生；而且在滲透脅迫下，黃瓜不定根的細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量也隨著NO的增加而增加，施加cPTIO、硝酸還原酶抑制劑Na2WO4和疊氮化鈉(NaN3)后發(fā)現(xiàn)Ca2+的增加并沒有受到抑制，說明了在滲透條件下，Ca2+可能是NO在不定根發(fā)生過程中的下游信號(hào)分子[71]。此外，有研究證明CsCDPK1和CsCDPK5編碼的CDPK參與了CH4誘導(dǎo)NO積累促進(jìn)不定根發(fā)生過程[72]。而且，在NO參與H2誘導(dǎo)黃瓜不定根發(fā)生過程中，H2和NO也可上調(diào)CsCDPK1和CsCDPK5基因表達(dá)[63]，調(diào)控不定根發(fā)生。這些研究說明，Ca2+提高抗氧化酶活性緩解逆境對(duì)植物不定根發(fā)生的抑制作用，同時(shí)提高內(nèi)源NO促進(jìn)植物不定根發(fā)生。

4.2 NO與H2O2

H2O2作為一種活性氧，被認(rèn)為是植物生理生化過程中的核心調(diào)控分子。在植物不定根的發(fā)生中也發(fā)揮著作用。Liao等[73]首次在萬壽菊中研究發(fā)現(xiàn)，NO和H2O2在植物不定根的發(fā)生中有共同的正向調(diào)控作用。張美玲等[74]在萬壽菊中發(fā)現(xiàn)了NO和H2O2共同協(xié)作對(duì)萬壽菊不定根的促進(jìn)作用比NO或者H2O2單獨(dú)作用更加顯著，證明了NO和H2O2對(duì)萬壽菊不定根的發(fā)生具有協(xié)同作用。經(jīng)過NO和H2O2處理后的萬壽菊內(nèi)源Ca2+的含量是增加的，而且，Ca2+處理提高了內(nèi)源性NO和H2O2水平。Ca2+是通過提高內(nèi)源NO和H2O2的水平來促進(jìn)萬壽菊不定根發(fā)生[16]。在IBA誘導(dǎo)的不定根發(fā)生中也發(fā)現(xiàn)有NO和H2O2的參與[75]。3-O-C10-HL(N-3-decyl-homoserine lactone，N-3-癸?；?高絲氨酸內(nèi)酯)是一種調(diào)節(jié)種群密度的細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)分子，在綠豆幼苗中通過H2O2和NO誘導(dǎo)環(huán)鳥苷單磷酸(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)信號(hào)促進(jìn)生長素誘導(dǎo)的不定根發(fā)生[76]。在一個(gè)涉及H2O2、NO、Ca2+、 cGMP和MAPK的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中H2O2和NO均作為信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分來誘導(dǎo)不定根形成[77]。在生長素誘導(dǎo)不定根發(fā)生過程中，H2O2和NO參與兩條平行的下游信號(hào)通路，H2O2也是不定根發(fā)生過程中NO信號(hào)的下游分子[77](圖2)。

4.3 NO與其他分子

除了上述幾種物質(zhì)，近幾年研究發(fā)現(xiàn)，CH4作為一種最簡單的有機(jī)物，在黃瓜外植體中可提高NOS活性促進(jìn)NO積累，從而誘導(dǎo)黃瓜不定根的發(fā)生(圖2)，而且，添加cPTIO可顯著抑制黃瓜不定根的發(fā)生[73]，以此證明在CH4誘導(dǎo)的黃瓜不定根發(fā)生中是NO發(fā)揮作用。此外，在植物體內(nèi)生長素低于正常水平時(shí)，血紅素也能促進(jìn)黃瓜外植體不定根發(fā)生[55]。而在黃瓜不定根發(fā)生中血紅素和NO在同一個(gè)信號(hào)途徑，由血紅素介導(dǎo)NO的產(chǎn)生是NOS-Like或者L-Arg途徑來完成的[78]。因此，NO可能在血紅素的下游促進(jìn)不定根的形成。CsHO1是從黃瓜中分離出來的血紅素加氧酶(heme oxygenase，HO-1)基因，生長素可以迅速誘導(dǎo)HO-1來影響不定根的發(fā)生，施加SNP后，NO導(dǎo)致CsHO1誘導(dǎo)的融合蛋白水平上調(diào)[77]，進(jìn)而促進(jìn)黃瓜不定根的發(fā)生。

H2作為一種自然界最小的氣體分子，它和NO協(xié)作促進(jìn)黃瓜不定根的發(fā)生，Zhu等[62]研究發(fā)現(xiàn)，HRW對(duì)黃瓜不定根發(fā)生有促進(jìn)作用，其中50% HRW對(duì)其促進(jìn)效果最好，而內(nèi)源NO的產(chǎn)生與HRW誘導(dǎo)的不定根發(fā)生密切相關(guān)，當(dāng)內(nèi)源NO產(chǎn)生被阻斷時(shí)，HRW在不定根中的促進(jìn)作用發(fā)生逆轉(zhuǎn)，NO可能作用于H2誘導(dǎo)不定根信號(hào)通路的下游。而且H2和NO還上調(diào)與細(xì)胞周期相關(guān)蛋白如CycA(Cyclin type A，A型細(xì)胞周期蛋白)、CycB(Cyclin type B，B型細(xì)胞周期蛋白)、CDKA(Cyclin dependent kinase A，周期蛋白依賴性激酶A)和CDKB(Cyclin dependent kinase B，周期蛋白依賴性激酶B)的表達(dá)來激活細(xì)胞周期。后來進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)，HRW處理黃瓜外植體中上調(diào)的基因與NR有關(guān)，使得NR活性升高，NO產(chǎn)生增加，從而促進(jìn)黃瓜不定根的發(fā)生(圖2)。與此同時(shí)，Zhu等[79]還發(fā)現(xiàn)，HRW能促進(jìn)NO積累和提高NOS活性。在NOS和NR抑制劑存在的情況下，H2誘導(dǎo)的不定根發(fā)育發(fā)生逆轉(zhuǎn)，說明在抑制劑存在的條件下NOS仍然可能產(chǎn)生NO促進(jìn)H2誘導(dǎo)的不定根發(fā)生(圖2)。

CDPK，鈣依賴蛋白激酶；CAT，過氧化氫酶；SOD，超氧化物歧化酶；APX，抗壞血酸過氧化物酶；NR，硝酸還原酶；NOS，NO合酶；GSNOR，S-亞硝基谷胱甘肽還原酶。 CDPK， Calcium dependent protein kinase; CAT， Catalase; SOD， Superoxide dismutase; APX， Ascorbic acid peroxidase; NR， Nitrate reductase; NOS， Nitric oxide synthase; GSNOR， S-nitroso glutathione reductase.圖2 NO與其他分子互作促進(jìn)植物不定根的發(fā)生Fig.2 In teraction of NO with other molecules in promoting adventitious roots in plants

5 問題與展望

隨著研究的深入，NO在植物體中的產(chǎn)生及其在植物生長發(fā)育以及在環(huán)境響應(yīng)方面的功能研究取得了一定的進(jìn)展。NO在植物不定根發(fā)生的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色，這點(diǎn)是毋庸置疑的。而且NO和生長素、乙烯等激素以及其他信號(hào)分子物質(zhì)如H2、H2O2、Ca2+等共同在植物不定根發(fā)生的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用也逐漸被人們證明。但是，是否有未知的物質(zhì)亦參與到NO誘導(dǎo)植物不定根發(fā)生中的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)尚需進(jìn)一步研究。此外，在實(shí)際生產(chǎn)中，NO是否可以應(yīng)用于植物營養(yǎng)繁殖等生產(chǎn)實(shí)踐需進(jìn)一步探索。

盡管已經(jīng)證實(shí)了NO在植物不定根中是一個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)分子，但是，植物不定根的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜過程，受到營養(yǎng)狀況、相關(guān)的應(yīng)激反應(yīng)、生物相互作用和遺傳特性等多種內(nèi)、外源性因素的影響。而且，有關(guān)NO參與植物不定根發(fā)生的研究大多集中在生理水平上，而在分子水平上的研究相對(duì)較少。目前已有很多研究結(jié)果表明，NO和內(nèi)源物質(zhì)共同協(xié)作調(diào)控植物不定根的發(fā)生。但是，NO與內(nèi)源物質(zhì)是如何相互協(xié)作促進(jìn)不定根發(fā)生的；NO在誘導(dǎo)不定根發(fā)生前必須在植物體內(nèi)感知、傳遞和表達(dá)，這一系列的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程是如何進(jìn)行的。這些問題的研究對(duì)解析植物不定根發(fā)生機(jī)理有很大的幫助。